Inte långt efter Big Bang, de första generationerna av stjärnor började förändra den kemiska sammansättningen av primitiva galaxer, långsamt berika det interstellära mediet med grundläggande element som syre, kol, och kväve. Att hitta de tidigaste spåren av dessa vanliga grundämnen skulle kasta viktigt ljus över den kemiska utvecklingen av galaxer, inklusive vår egen.

Nya observationer med Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) avslöjar den svaga, en tydlig signatur för syre som kommer från en galax på ett rekordavstånd av 13,28 miljarder ljusår från jorden, vilket betyder att vi observerar detta objekt som det såg ut när universum bara var 500 miljoner år gammalt, eller mindre än 4 procent av sin nuvarande ålder.

För en så ung galax, känd som MACS1149-JD1, innehålla spår av syre, den måste ha börjat smida stjärnor ännu tidigare:knappa 250 miljoner år efter Big Bang. Detta är exceptionellt tidigt i universums historia och antyder att rika kemiska miljöer utvecklades snabbt.

"Jag blev glad över att se signalen från det mest avlägsna syret, " förklarar Takuya Hashimoto, huvudförfattaren till forskningsartikeln som publicerades i tidskriften Natur och en forskare vid Osaka Sangyo University och National Astronomical Observatory of Japan.

"Detta extremt avlägset, extremt ung galax har en anmärkningsvärd kemisk mognad, sa Wei Zheng, en astronom vid Johns Hopkins University i Baltimore, som ledde upptäckten av denna galax med rymdteleskopet Hubble och uppskattade dess avstånd. Han är också medlem i ALMA:s forskargrupp. "Det är verkligen anmärkningsvärt att ALMA upptäckte en emissionslinje - fingeravtrycket från ett visst element - på ett så rekordstort avstånd."

Efter Big Bang, universums kemiska sammansättning var starkt begränsad, med inte ens ett spår av element som syre. Det skulle ta flera generationer av stjärnfödelse och supernovor för att så det unga kosmos med detekterbara mängder syre, kol, och andra element smidda i stjärnornas hjärtan.

Efter att de befriats från sina stjärnugnar av supernovor, dessa syreatomer tog sig in i det interstellära rymden. Där blev de överhettade och joniserades av ljuset och strålningen från massiva stjärnor. Dessa varma, joniserade atomer "glödde" sedan starkt i infrarött ljus. När detta ljus reste de enorma kosmiska avstånden till jorden, den sträcktes av universums expansion, så småningom förvandlas till det distinkta millimetervåglängdsljuset som ALMA är speciellt utformat för att upptäcka och studera.

Genom att mäta den exakta förändringen i våglängden för detta ljus – från infrarött till millimeter – bestämde teamet att denna kontrollsignal av syre färdades 13,28 miljarder ljusår för att nå oss, vilket gör det till den mest avlägsna signaturen av syre som någonsin upptäckts av något teleskop. Denna avståndsuppskattning bekräftades ytterligare av observationer av neutralt väte i galaxen av European Southern Observatorys Very Large Telescope. Dessa observationer verifierar oberoende att MACS1149-JD1 är den mest avlägsna galaxen med en exakt avståndsmätning.

Teamet rekonstruerade sedan stjärnbildningshistorien i galaxen med hjälp av infraröda data tagna med NASA/ESA rymdteleskop Hubble och NASA:s Spitzer Space Telescope. Den observerade ljusstyrkan i galaxen förklaras väl av en modell där stjärnbildningen började för ytterligare 250 miljoner år sedan. Modellen indikerar att stjärnbildningen blev inaktiv efter att de första stjärnorna antändes. It was then revived at the epoch of the ALMA observations:500 million years after the Big Bang.

The astronomers suggest that the first burst of star formation blew the gas away from the galaxy, which would suppress the star formation for a time. The gas then fell back into the galaxy leading to the second burst of star formation. The massive newborn stars in the second burst ionized the oxygen between the stars; it is those emissions that have been detected with ALMA.

"The mature stellar population in MACS1149-JD1 implies that stars were forming back to even earlier times, beyond what we can currently see with our telescopes. This has very exciting implications for finding 'cosmic dawn' when the first galaxies emerged, " adds Nicolas Laporte, a researcher at University College London/Université de Toulouse and a member of the research team.

"I am sure that the future combination of ALMA and the James Webb Space Telescope will play an even greater role in our exploration of the first generation of stars and galaxies, " sa Zheng.

ALMA has set the record for the most distant oxygen several times. 2016, Akio Inoue at Osaka Sangyo University and his colleagues found the signal of oxygen at 13.1 billion light-years away with ALMA. Several months later, Nicolas Laporte of University College London used ALMA to detect oxygen at 13.2 billion light-years away. Nu, the two teams merged into one and achieved this new record. This reflects both the competitive and collaborative nature of forefront of scientific research.

"With this discovery we managed to reach the earliest phase of cosmic star formation history, " said Hashimoto. "We are eager to find oxygen in even farther parts of the universe and expand the horizon of human knowledge."

This research is presented in a paper "The onset of star formation 250 million years after the Big Bang, " by T. Hashimoto et al., att synas i journalen Natur .